CN107506530A - 一种功率变换器布局方法 - Google Patents

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张栋
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Abstract

一种功率变换器布局方法，包括四个步骤：第一步：根据功率变换器的种类和拓扑结构确定功率变换器的基本组成部分和各个基本组成部分的三维尺寸，将各个基本组成部分抽象成立方体；第二步：确定功率变换器中基本组成部分之间的连接关系和连接点位置；第三步：对功率变换器的整体布局进行优化设计；第四步：输出功率变换器的布局优化设计结果。

Description

一种功率变换器布局方法
技术领域
本发明涉及一种功率变换器布局方法。
背景技术
功率变换器在航空航天、电动汽车和高速铁路等领域获得了极为广泛的应用。随着应用需求的不断发展，这些领域对功率变换器功率密度的要求越来越高。
功率变换器的基本组成部分包括母排、母线电容、储能电感、功率模块、散热器和控制电路板。目前，提高功率变换器功率密度的普遍研究方向是：改进功率模块的封装工艺，减小功率模块的体积；提高功率模块的散热效率，减小散热器的体积；提高功率模块的开关频率，减小母线电容和储能电感的体积。这三个研究方向都是针对功率变换器的某一个或某几个基本组成部分进行优化，并未对功率变换器的整体布局进行考虑。
功率变换器布局设计主要依靠人为经验，借助于三维设计软件SolidWorks、CATIA等进行。基本的人工布局设计流程如下：首先，在三维设计软件中建立各个基本组成部分的三维模型；然后根据变换器的拓扑结构和外部接口的位置对各个基本组成部分进行排布，并不断调整位置以满足变换器功率密度的要求；最后，根据变换器的布局形式确定散热器的形状和大小。在此设计过程中，某一个或某几个基本组成部分的位置调整都可能导致整体布局的调整，从而极大地降低了设计效率。人工布局不可能考虑到全部可能的布局形式，所以其设计结果只能保证达到功率密度的要求，却不能确定设计结果是否还有改进的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率变换器布局方法，解决人工布局效率低下且无法保证设计结果最优的问题；使功率变换器可以获得基于当前技术的最高功率密度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明共包括四个步骤：
第一步：根据功率变换器的种类和拓扑结构确定功率变换器的基本组成部分和各个基本组成部分的三维尺寸，将各个基本组成部分抽象成立方体；
第二步：确定功率变换器中基本组成部分之间的连接关系和连接点位置；
第三步：对功率变换器的整体布局进行优化设计；
第四步：输出功率变换器的布局优化设计结果。
所述第一步中，首先，根据功率变换器的种类和拓扑结构确定功率变换器的基本组成部分；然后，将各个基本组成部分分别抽象成立方体，立方体的三维尺寸等于对应基本组成部分的三维尺寸加上合理的间隔值。
所述第二步中，首先，根据功率变换器的拓扑结构确定功率变换器中各个基本组成部分的连接关系，包括电路连接关系和热路连接关系；然后，根据各个基本组成部分的结构确定连接点在对应立方体上的位置。
通过第一步和第二步，功率变换器的各个基本组成部分被抽象为带有连接点的立方体。
所述第三步在所述第一步和第二步的基础上对功率变换器的布局进行优化。所述第三步包括两个层次的优化：第一层优化是采用遗传算法对各个立方体的位置进行优化；第二层优化是采用遗传算法对各个立方体的朝向进行优化，并借助最短路径算法计算对应布局的适应度。
所述第三步中，所述第一层优化包括以下具体步骤：S31，随机生成初始种群，初始种群中的每一个个体分别代表一种立方体的位置关系，初始种群中的个体数量需要根据实际情况决定，一般为100～300个，初始种群中的个体采用序列对进行表达；S32，将初始种群中的各个个体分别输入到所述第三步中的第二层优化中，对立方体的朝向进行优化，并计算个体的最大适应度；S33，从初始种群中随机选择个体进行交叉和变异操作，并得到个体数量相同的子种群；S34，用所述的子种群取代所述的初始种群，重复步骤S33和S34，直至功率变换器的功率密度达到要求或种群迭代次数达到设定的最大值；S35，存储最优的布局个体。
所述第三步中，所述第二层优化包括以下具体步骤：S321，对所述第三步中第一层优化输入的个体所代表的立方体位置进行还原；S322，生成初始朝向种群，初始朝向种群中的每一个个体分别代表了一种所有立方体的朝向关系；S323，根据立方体的位置和朝向关系计算连接线的长度；S324，借助于最短路径算法计算初始朝向种群中个体的适应度；S325，从初始朝向种群中随机选择个体进行交叉和变异操作，并得到个体数量相同的子朝向种群；S326，用子朝向种群取代初始朝向种群，重复步骤S323、S324和S325，直至迭代次数达到最大值。S327，将最优的朝向个体和适应度传递至所述第三步中第一层优化。
所述第三步可以获得符合要求的立方体位置和朝向，即符合要求的功率变换器布局形式。所述第四步将所述第三步的结果以图形形式输出。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2a、图2b和图2c是本发明中所述步骤S31中立方体位置的表达形式；
图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f分别是本发明中所述步骤S322中立方体六种可能的朝向，这六种朝向可以分别用图中所示的数字1～6表示；
图4是本发明中一种功率变换器结果的输出形式；
图5是本发明实施案例中三相全桥逆变器的三维模型；
图6是本发明实施案例中三相全桥逆变器的布局结果；
图7是本发明实施案例中三相全桥逆变器布局结果对应的三维模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明共包括四个步骤：
第一步S1：根据功率变换器的种类和拓扑结构确定功率变换器的基本组成部分和各个基本组成部分的三维尺寸，将各个基本组成部分抽象成立方体；
第二步S2：确定功率变换器中基本组成部分之间的连接关系和连接点位置；
第三步S3：对功率变换器的整体布局进行优化设计；
第四步S4：输出功率变换器的布局优化设计结果。
所述第一步S1包括两个具体的步骤：首先，根据功率变换器的种类和拓扑结构确定功率变换器的基本组成部分；然后，将各个基本组成部分分别抽象成立方体，立方体的三维尺寸等于对应基本组成部分的三维尺寸加上合理的间隔值。
所述第二步S2包括两个具体的步骤：首先，根据功率变换器的拓扑结构确定功率变换器中各个基本组成部分的连接关系，包括电路连接关系和热路连接关系；然后，根据各个基本组成部分的结构确定连接点在对应立方体上的位置。
通过第一步S1和第二步S2，功率变换器的各个基本组成部分被抽象为带有连接点的立方体。
所述第三步S3在所述第一步S1和第二步S2的基础上对功率变换器的布局进行优化。所述第三步S3包括两个层次的优化：第一层优化是采用遗传算法对各个立方体的位置进行优化；第二层优化是采用遗传算法对各个立方体的朝向进行优化，并借助最短路径算法计算对应布局的适应度。
所述第三步S3中，所述第一层优化包括以下具体步骤：S31，随机生成初始种群，初始种群中的每一个个体分别代表一种立方体的位置关系，初始种群中的个体数量需要根据实际情况决定，一般为100～300个，初始种群中的个体采用序列对进行表达；S32，将初始种群中的各个个体分别输入到所述第三步S3中的第二层优化中，对立方体的朝向进行优化，并计算个体的最大适应度；S33，从初始种群中随机选择个体进行交叉和变异操作，并得到个体数量相同的子种群；S34，用所述的子种群取代所述的初始种群，重复步骤S33和S34，直至功率变换器的功率密度达到要求或种群迭代次数达到设定的最大值；S35，存储最优的布局个体。
所述第三步S3中，所述第二层优化包括以下具体步骤：S321，对所述第三步S3的第一层优化中输入的个体所代表的立方体位置进行还原；S322，生成初始朝向种群，初始朝向种群中的每一个个体分别代表了一种所有立方体的朝向关系；S323，根据立方体的位置和朝向关系计算连接线的长度；S324，借助于最短路径算法计算初始朝向种群中个体的适应度；S325，从初始朝向种群中随机选择个体进行交叉和变异操作，得到个体数量相同的子朝向种群；S326，用子朝向种群取代初始朝向种群，重复步骤S323、S324和S325，直至迭代次数达到最大值。S327，将最优的朝向个体和适应度传递至所述第三步S3的第一层优化。
所述第三步S3可以获得符合要求的立方体位置和朝向，即符合要求的功率变换器布局形式。
所述第四步S4将所述第三步S3的结果以图形形式输出。
图2a、图2b和图2c所示为本发明所述步骤S31中立方体位置的表达形式。每一个立方体都用一个数字代表，而立方体的的位置关系需要用三段相同长度的数字系列表示，每一段数字序列的长度都等于立方体的数量。图2a中，所述立方体1位于所述立方体2的左边，位置关系可以表示为(12,12,12)；图2b中，所述立方体1位于所述立方体2的前边，位置关系可以表示为(12,21,12)；图2c中，所述立方体1位于所述立方体2的上边，位置关系可以表示为(12,21,21)。
图3所示为本发明所述步骤S322中立方体朝向的表达形式。在本发明中每一个立方体都可以有6个方向，这6个方向可以用1～6表示。
图4所示为本发明中第四步S4输出的功率变换器布局结果。图4中立方体的位置和朝向即为功率变换器中相应基本组成部分的位置和朝向。
图5所示为本发明用于三相全桥逆变器的布局设计的三相全桥逆变器的三维模型。
按照所述第一步S1，三相全桥逆变器的基本组成部分包括3个母线电容、3个功率模块、3个散热器和1块控制电路板，相应立方体的尺寸如表1所示。表1中的尺寸值为各基本组成部分的实际尺寸加上1cm的间隔值。
表1
元件 基本组成部分 长(cm) 宽(cm) 高(cm)
1 母线电容 11 8 9
2 母线电容 11 8 9
3 母线电容 11 8 9
4 控制电路板 15 10 0.25
5 功率模块 17 9 3
6 功率模块 17 9 3
7 功率模块 17 9 3
8 散热器 20 9 2
9 散热器 20 9 2
10 散热器 20 9 2
按照所述第二步S2，各立方体上连接点的位置如表2所示。
表2
按照所述第三步S3，10个立方体分别用数字1～10代表。随机生成200个初始SG个体，每个SG的长度为30。将每个SG输入到第三步S3的第二层优化中，得到其适应度。通过遗传算法将SG种群迭代100代，可以获得布局结果。
按照所述第四步S4输出布局结果，如图6所示。通过SolidWorks建立该布局结果对应的三维模型，如图7所示。
在本实施例中，基于表1中所示的基本组成部分的尺寸，本发明设计的布局结果体积为11.6dm3，这也是三相全桥逆变器的最小体积。本发明的设计过程仅耗时17min，运算速度很快。本发明可以用于包含任意数量基本组成部分的变换器布局设计，扩展性很强。
本发明可以实现功率变换器的自动布局，使功率变换器获得基于当前技术的最大功率密度。本发明的主要优点是运算速度很快，扩展性很强。

Claims (5)

1.一种功率变换器布局方法，其特征在于，所述的功率变换器布局方法包括四个步骤：
第一步：根据功率变换器的种类和拓扑结构确定功率变换器的基本组成部分和各个基本组成部分的三维尺寸，将各个基本组成部分抽象成立方体；
第二步：确定功率变换器中基本组成部分之间的连接关系和连接点位置；
第三步：对功率变换器的整体布局进行优化设计；
第四步：以图形形式输出功率变换器的布局优化设计结果。
2.按照权利要求1所述的功率变换器布局方法，其特征在于，所述的第一步中，首先，根据功率变换器的种类和拓扑结构确定功率变换器的基本组成部分；然后，将各个基本组成部分分别抽象成立方体，立方体的三维尺寸等于对应基本组成部分的三维尺寸加上合理的间隔值；
所述第二步中，首先，根据功率变换器的拓扑结构确定功率变换器中各个基本组成部分的连接关系，包括电路连接关系和热路连接关系；然后，根据各个基本组成部分的结构确定连接点在对应立方体上的位置；
通过第一步和第二步，功率变换器的各个基本组成部分被抽象为带有连接点的立方体。
3.按照权利要求1所述的功率变换器布局方法，其特征在于，所述的第三步在第一步和第二步的基础上对功率变换器的布局进行优化，获得符合要求的立方体位置和朝向，即符合要求的功率变换器布局形式；所述第三步包括两个层次的优化：第一层优化是采用遗传算法对各个立方体的位置进行优化；第二层优化是采用遗传算法对各个立方体的朝向进行优化，并借助最短路径算法计算对应布局的适应度。
4.按照权利要求3所述的功率变换器布局方法，其特征在于，所述的第一层优化包括以下具体步骤：S31，随机生成初始种群，初始种群中的每一个个体分别代表一种立方体的位置关系，初始种群中的个体数量需要根据实际情况决定，初始种群中的个体采用序列对进行表达；S32，将初始种群中的各个个体分别输入到所述第三步中的第二层优化中，对立方体的朝向进行优化，并计算个体的最大适应度；S33，从初始种群中随机选择个体进行交叉和变异操作，并得到个体数量相同的子种群；S34，用所述的子种群取代所述的初始种群，重复步骤S33和S34，直至功率变换器的功率密度达到要求或种群迭代次数达到设定的最大值；S35，存储最优的布局个体。
5.按照权利要求3所述的功率变换器布局方法，其特征在于，所述的第二层优化包括以下具体步骤：S321，对所述第三步中第一层优化输入的个体所代表的立方体位置进行还原；S322，生成初始朝向种群，初始朝向种群中的每一个个体分别代表一种所有立方体的朝向关系；S323，根据立方体的位置和朝向关系计算连接线的长度；S324，借助于最短路径算法计算初始朝向种群中个体的适应度；S325，从初始朝向种群中随机选择个体进行交叉和变异操作，并得到个体数量相同的子朝向种群；S326，用子朝向种群取代初始朝向种群，重复步骤S323、S324和S325，直至迭代次数达到最大值；S327，将最优的朝向个体和适应度传递至所述第三步中第一层优化。
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